1. Исследование фотоэлектрических характеристик полупроводниковых материалов и структур на их основе

Целью работы является изучение фотоэлектрических параметров полупроводниковых материалов на примере исследования и определения основных характеристик двух типов приемников оптического излучения – полупроводниковых фоторезисторов и фотодиодов.

1.1. Основные сведения о фоторезисторах и фотодиодах

Фотоэлектрические свойства полупроводника описывают изменение электрических характеристик материала при воздействии на него оптического излучения. Возникающие при этом явления называют фотоэлектрическими эффектами. В однородных полупроводниках наибольший интерес вызывает фоторезистивный эффект, который состоит в уменьшении сопротивления полупроводника под воздействием света. Для возникновения такого эффекта полупроводник необходимо облучать потоком фотонов с энергиями, достаточными для переброса электронов через запрещенную зону или для ионизации примесных атомов. При этом происходит увеличение концентрации носителей заряда и возрастает удельная проводимость полупроводника.

Фоторезистором называется приемник излучения, принцип действия которого основан на фоторезисторном эффекте. Под действием излучения вследствие внутреннего фотоэффекта у фоторезистора меняется сопротивление. Различают собственную и примесную фотопроводимость. Собственная фотопроводимость обусловлена оптическими переходами электронов из валентной зоны в зону проводимости. Примесная фотопроводимость связана с оптическими переходами электронов с примесных уровней в зону проводимости или же с захватом электронов валентной зоны на примесные состояния (освобождением дырок в валентную зону).

Важнейшим свойством фоторезисторного эффекта является зависимость фотопроводимости от энергии (длины волны) падающего фотона, описываемой спектральной характеристикой. Для возбуждения собственной фотопроводимости энергия фотонов должна превышать пороговое значение, определяемое шириной запрещенной зоны полупроводника:

,

где h = 4.1410^-15 эВс – постоянная Планка, c = 3·10⁸ м/c – скорость света, E_g – ширина запрещенной зоны.

Пороговое значение длины волны λ_пор, соответствующее E_g, называют красной границей (внутреннего) фотоэффекта или краем фундаментального пошлощения. При уменьшении длины волны излучения от λ_пор интенсивность оптических переходов возрастает, что приводит к увеличению концентрации неравновесных носителей заряда и соответственно к росту фотопроводимости. С другой стороны, при больших энергиях фотонов (малых λ) существенно возрастает показатель оптического поглощения, что сопровождается уменьшением глубины проникновения света в полупроводник. При этом неравновесные носители заряда, возбуждаемые в тонком поверхностном слое, быстро рекомбинируют через уровни поверхностных ловушек и дефектов. Это приводит к спаду фотопроводимости после некоторого максимума на спектральной характеристике фоторезистора.

Основной частью конструкции является полупроводниковый фоточувствительный слой, который может быть выполнен в виде монокристаллической или поликристаллической пленки полупроводника, нанесенной на диэлектрическую подложку. На поверхность фоточувствительного слоя наносят металлические электроды. Поверхность полупроводникового фоточувствительного слоя, расположенную между электродами, называют рабочей площадкой.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) фоторезистора представляют собой зависимости темнового тока I_т, а также тока I_осв освещенного фоторезистора от приложенного к фоторезистору напряжения при неизменном световом потоке. При омическом характере темнового сопротивления ВАХ линейна практически при любом соотношении между темновым током I_т и фототоком, который определяется как I_ф = I_осв – I_т. Нелинейность ВАХ может проявляться при очень малых напряжениях у фоторезисторов с фоточувствительным слоем из поликристаллического полупроводникового материала, а также при слишком больших напряжениях, когда мощность, выделяемая на фоторезисторе, превышает некоторое допустимое значение.

Световая (люкс-амперная) характеристика фоторезистора представляет собой зависимость фототока I_ф от освещенности или от падающего на фоторезистор светового потока. В узком диапазоне изменения светового потока  для аппроксимации световой характеристики часто используют зависимость

I_ф = А^x , (1.1)

где А и x – параметры, являющиеся постоянными для данного фоторезистора в выбранном диапазоне изменения светового потока. Фоторезисторы обычно имеют световую характеристику с x <1. Инерционность фоторезистора характеризуется постоянными времени фронта нарастания _н и спада _сп фотоответа (фотоотклика) при импульсной засветке. Ими определяются предельные рабочие частоты модуляции света, при которых еще не происходит заметного уменьшения фотоответа. Как правило, _н < _сп. Постоянная времени _сп определяется как интервал времени, в течение которого фототок фоторезистора уменьшается в e раз по отношению к установившемуся значению. Если используется синусоидальная модуляция светового потока, то быстродействие фотоприемника характеризуется граничной частотой f_гр, на которой амплитуда фотоотклика уменьшается в раз относительно стационарного значения.

При практическом использовании фоторезисторов важное значение имеет кратность изменения сопротивления

N = R_т/R_осв = I_осв/I_т, (1.2)

которая является мерой чувствительности резистора.

Другим исключительно важным параметром фоторезистора является коэффициент усиления

, (1.3)

где  – время жизни носителей заряда, _пр – время пролета носителей между электродами,  – подвижность носителей заряда, l – расстояние между электродами резистора, U – значение приложенного напряжения. Для образцов с большим временем жизни неравновесных носителей и малым расстоянием между электродами фоторезистора коэффициент усиления может быть существенно больше единицы.

Наиболее распространенными полупроводниковыми приемниками излучения в настоящее время являются фотодиоды. Основным элементом фотодиода является p-n-переход, при освещении которого происходит генерация электронно-дырочных пар. Электрическое поле перехода разделяет неравновесные носители заряда. Ток, обусловленный этими носителями, совпадает по направлению с обратным током p-n-перехода. Поэтому ВАХ фотодиода при освещении, представленная на рис. 1.1, а, может быть записана в виде:

, (1.4)

где I_нас – ток насыщения, а I_ф – фототок.

Типичная структура фотодиода показана на рис. 1.1, б. Фотодиод может использоваться в двух режимах работы: фотодиодном, когда p-n-переход смещен в обратном направлении под действием внешнего источника напряжения, и фотогальваническом, когда диод не имеет внешнего источника питания и работает как преобразователь энергии, характеризующийся либо напряжением холостого хода U_хх, либо током короткого замыкания I_кз. В первом случае ток через структуру является функцией интенсивности светового потока, во втором функцией потока являются значения U_хх или I_кз, так как сам фотодиод используется в качестве источника напряжения или тока.

А	Б
Рис. 1.1. Вольт-амперные характеристики (а) и схематическое изображение структуры (б) фотодиода

Зависимость фототока от потока  для фотодиодного режима работы фотодиода является линейной. Сравнительным критерием качества фотодиодов является чувствительность, которая определяется как отношение фототока к световому потоку:

S_I = I_ф/. (1.5)

Зависимость напряжения холостого хода U_хх от светового потока легко получить из выражения (5.4), положив значение полного тока I равным нулю. Тогда

. (1.6)

При этом необходимо учитывать, что I_кз линейно зависит от .

Фотодиоды являются более быстродействующими фотоприемниками, чем фоторезисторы. Инерционность фотодиодов определяется, в основном, тремя физическими факторами: временем диффузии или дрейфа неравновесных носителей заряда через базу _i, временем их пролета через p-n-переход _D и временем перезарядки барьерной емкости p-n-перехода, которое характеризуется постоянной времени _RC, равной RC.

Для фотодиодов с однородно легированной базой время пролета неосновных носителей через базу определяется временем диффузии , где W – толщина базы (рис. 1.1, б) и D_n – коэффициент диффузии электронов. Наличие градиента концентрации примесей создает тянущее электрическое поле в базе, которое в 2…5 раз уменьшает значение _D. При этом неосновные носители движутся в базе фотодиода за счет дрейфа.

Время , где v_др – скорость дрейфа носителей заряда и d – ширина области объемного заряда. При больших полях v_др не зависит от напряженности электрического поля. В Ge и Si v_др = 510⁴ м/с, а значение d зависит от обратного напряжения и концентрации примесей в базе и обычно меньше 5 мкм. Следовательно, для обычных фотодиодов _i не превышает 10^10 с.

Для p-i-n-фотодиодов _i определяет инерционность этих приборов. Постоянная времени фотодиода _RC зависит от барьерной емкости p-n-перехода C_бар и сопротивления R, которое является суммой сопротивлений базы фотодиода и нагрузки. Минимальное время RC_бар наблюдается, когда сопротивление нагрузки мало по сравнению с сопротивлением базы, которое у фотодиодов значительно больше, чем у других диодов, так как невыпрямляющие контакты расположены по ее краям, а не по всей поверхности базы. Одним из путей уменьшения постоянной времени _RC = RC_бар является уменьшение площади фотодиода.